为了优化发动机转矩、提高发动机功率和降低排放,现在大部分奥迪/大众汽车都装备了气门控制机构。 气门控制机构分为可变气门升程和可变气门正时两大类。 1.可变气门正时VVT。 奥迪/大众采用两代可变气门正时,第一代是凸轮轴正时链驱动式VVT,第二代是叶片式。 (1)第一代凸轮轴正时链驱动式VVT机构。 由于第一代VVT结构特性,它仅能对进气凸轮轴正时进行调整,一般只有正常位置和提前位置两个状态。 工作过程:曲轴通过正时带驱动排气凸轮轴,排气凸轮轴通过正时链驱动进气凸轮轴。当需要调节进气门正时,VVT调节器作动,驱动正时链使得进气凸轮轴按目标值提前或延迟,参见图7-6。
当需要将进气凸轮轴调整到提前状态时,VVT调节器工作。由于排气凸轮轴与正时带固定而不能转动,因此进气凸轮轴向提前方向转动一定的角度。
发动机控制单元控制VVT电磁阀中通向执行缸的油路,使得VVT调节器上升或下降,从而调节进气凸轮轴提前或延迟,其工作过程见图7-7。
(2)第二代叶片式VVT机构。
由于叶片式wwT结构简单紧凑、容易控制且容易实现位置连续调整,现在大部分的汽车生产厂均采用此结构,参见图7-8和图7-9。
它分仅进气凸轮轴调整和进排气凸经轴同时调节。
1)叶片式VVT机构的组成。它包括以下部件①进、排气凸轮轴叶片调节器。调节器安装在对应的凸轮轴上,根据发动机控制单元的信号进行调节。两个叶片调节器都是由液压操控的,并且通过控制阀体与发动机的机油油道连接。
部分新型的调节器采用电磁阀控制。
在发动机起动后一小段时间内,机油油压并未立即传到VVT调节器时,锁销便锁定VVT调节器的叶片,防止其作动时产生撞击噪声。排气凸轮轴叶片调节器的组成类似,但多了回位弹簧。
②控制阀体。控制阀体安装在缸盖上,内有分别通向两个调节器的机油通道。
③进、排气凸轮轴VVT电磁阀。安装在控制阀体中。发动机控制单元控制VVT电磁阀以改变压力机油的通道,从而控制对应的凸轮轴提前或延迟。
④排气凸轮轴调节器回位。起动发动机时,希望最小的气门重叠,确保无残余气体流回燃烧室因此,当发动机停机时,排气凸轮轴调节器要锁入“提前位置”,进气凸轮轴调节器要锁入“延迟位置”。排气凸轮轴调节器被设定在与发动机旋转方向相反的方向。如果调节角度已达到最延迟状态时停机,仅仅靠机油压力可能无法提前。因此排气凸轮轴调节器上增加回位弹簧,与机油压力一起参与调节过程。
⑤锁止。当发动机停机时,排气凸轮轴调节器锁入提前位置,进气凸轮轴调节器锁入延迟位置。这样可防止在发动机起动过程中对凸轮轴进行调节,并且可快速起动发动机。此外,还可在发动机起动时防止产生噪声,参见图7-10。
2)叶片式VVT的控制方式。发动机控制单元根据各传感器的数据计算出最优的目标气门正时,然后通过PWM信号控制VVT电磁阀,使得压力机油进入相应的油道,然后调节叶片调节器的位置,达到控制气门正时的目的,参见图7-1。
3)叶片式VVT的工作过程。现在以调节进气凸轮轴为例,说明叶片式VVT的工作过程。
①延迟。VVT电磁阀断电,电磁阀内的回位弹簧阀芯退回,压力机油作用在叶片室的延迟侧进气凸轮轴向气门正时的延迟方向旋转,参见图7-11。
②保持。当实际气门正时与目标气门正时相等时,发动机控制单元控制VVT电磁阀至两个回油道处于关闭状态,叶片处于相对静止状态,参见图7-12。
③提前。发动机控制单元通电控制VVT电磁阀的阀芯,使得压力机油作用于叶片室的提前侧,进气凸轮轴向气门正时提前方向旋转,参见图7-13。
排气凸轮轴的变化与进气凸轮轴类似。
2.可变气门升程AVS。
为了提高驾驶舒适性、降低油耗,奥迪在2006年开始装备可变气门升程系统,奧迪称为AVS。
(1)进气AVS。
在2006年11月,奥迪第一次在A6装备AVS的V62.8发动机,其发动机代码为BDX,自然进气,AVS安装在进气侧。
AVS可实现气门升程的二级控制。凸轮轴直接操纵AVS,这在设计气门升程曲线时具有明显的优势。
AVS采用凸轮块结构,它装在进气凸轮轴上,可以轴向移动。紧密相邻的是两个凸圆形状不同的凸轮,一个升程小,一个升程大。根据发动机负荷大小控制凸轮块位置,从而改变气门升程,参见图7-14。
在部分负荷时(采用较小的凸轮外形),气门开启是不对称的。一方面是因为凸轮的形状使得一个进气门比另一个进气门升程更大(2mm和5.7mm),另一方面是因为较小凸轮外形的气门开启时间也是不同的。
另外,气门小升程的凸轮形状是按照让两个进气门同时打开这一原则来设计的,但第二个进气门的关闭却稍晩,再加上缸盖中进气门特殊的遮蔽形状,就可使得吸入燃烧室的气体呈高流速和旋转运动状态,参见图7-15。
另外,这些新吸入的气体通过FSI——专门设计的活塞顶面形状,就生成了圆筒状涡流进气。
这种特殊的组合可使喷射出的燃油获得极佳的混合效果。正是由于这个原因,就不再使用进气歧管翻板了。
涡流与旋流的区别见图7-16。
(2)排气AVS。
在2008年6月,奥迪在链条驱动的4缸TFSI形式的EA888发动机系列中,装备了AVS。
由于此系列发动机装备涡轮增压系统,所以AVS装备在排气侧。
在此情况下,点火顺序是独立的,例如,废气涡轮增压器是脉冲增压。“点火顺序独立”表明在一个气缸排气行程中产生的气体脉冲,由于“交错”缘故不会影响前一气缸的排气行程。通过进气道的合理设计可以形成所谓的“脉冲增压”。
4缸TFSI发动机奥迪可变气门升程系统的结构和功能,与6缸自然吸气发动机上的该系统相似。但是,应用的热力学效应不同。
在发动机低转速情况下,使用一个较窄的凸轮导向叶片。而在发动机高转速的情况下,系统切换到宽的,基本型凸轮导向叶片。
窄型凸轮导向叶片可延迟打开排气门。由于曲轴转角偏差180°的气缸预排气脉冲(在排气门打开时),该效应在气门交错阶段可阻止废气回流。这样可提前进气配气正时。
正压力坡度可有效提高燃烧室的吸气效率,这样就大大增强了雾化作用。首先,通过降低气缸里的残留气体,其次通过调整进气配气提前角(因为在下止点后只能吸进少量空气)就可以生成正压力坡度。
这些改进使得发动机在低转速情况下具有良好的性能和更大的转矩。因此,可以快速建立起增压压力。转矩曲线越陡峭,驾驶人在加速时越注意不到涡轮迟滞,参见图7-17。
凸轮节上每个气门有两个凸轮导向叶片。凸轮正时根据发动机的特性要求而配置。
小凸轮转动获得气门升程为6.35mm。打开角度为180°曲轴转角。排气门在上止点后20关闭。大凸轮转动获得最大升程为10mm,打开角度为215°曲轴转角。排气门在上止点前8°关闭。
3.VVT的配置。
随车VVT技术的不断发展,并且不同的生产厂对发动机性能、油耗、排放和成本有不同的要求,现在有几种VVT,具体如下。
4.VVT控制策略。
不带VVT的发动机,其配气正时是固定的,为了依靠惯性增加进气和排气效率,所以按照曲轴转角或活塞位置设定进气门正好在上止点前开启,下止点后关闭;排配气则在下止点前开启,上止点后关闭,参见图7-18。
VVT系统优化气门正时从而提高功率输出、改善燃料消耗率和减少废气排放。
本文以进排气独立连续可调的配置,说明VVT的控制策略。
下面参见图7-19说明各工况下VVT的变化及其目的。
1)在轻负荷工况时WVT的控制策略。
工况:起动、低温、怠速、轻负荷。
目的:减少气门重叠、减少内部EGR。
效果:稳定燃烧、提高燃油经济性,保证发动机运转平稳。
怠速时,发动机不需要产生驱动车辆的动力,要求怠速平稳。怠速时,发动机转速低,活塞移动速度较慢,导致进气延迟较小,进气门不需要早开。此时由于节气门接近关闭,进气歧管真空强。进气门和排气门同时打开的状态称为气门重叠,在此状态下高压的废气会大量进入真空状态的进气口,当混合气被废气稀释后会导致燃烧不稳定,造成发动机不稳。不带VVT的发动机,气门正时是固定的,怠速时不可避免气门重叠,因此为了稳定怠速,只能将怠速转速调高至某转速。在VVT发动机中,怠速时可将调整进排气门正时至没有气门重叠,因此混合气不会受到废气的稀释,燃烧稳定,怠速转速也变得稳定。这样即使发动机转速较低,也能获得稳定的转速并且由于发动机怠速转速下降,油耗会降低,参见图7-20。
(3)在低中转速大负荷工况时wT的控制策略。
进气门提前关闭:提高充气效率(减少废气进入进气侧)。
排气门延迟打开:充分利用燃烧压力。
加速踏板全程踩的重负荷时,例如超速或爬陡坡时,此时发动机必须输出最大的转矩。此时VVT会提前进气门、延迟排气门,其变化与一般行驶工况相同,但最终目的是不一样的。
当驾驶人将加速踏板全程踩下之初,发动机转速尚低、活塞运动速度较慢,混合气进气延时较短。在此状况下,如果进气门延后关闭,则气缸内的混合气会被推回进气口。如此一来,气缸内的混合气数量就会减少。因此,为了使气缸内的混合气不会推回,将进气凸轮轴提前,以提早关闭进气门。基于此因素,进气门打开的角度也会提前,气门重叠角增加。因为节气门开度大,进气歧管的压力接近大气压力,真空最小,因此被吸回进气口的量会小于一般行驶工况的量,参见图7-22。
(4)在高转速大负荷工况时VVT的控制策略。
当驾驶人持续踩下加速踏板而发动机转速提高时,进气延迟会变大。VVT会逐渐延迟进气门正时,以补偿进气延迟。使进气量保持在较大的状况。当加速踏板全程踩下时,VVT会尽可能增加混合气吸入量,以提升发动机功率至最大,参见图7-23。
